Tiểu luận điện tử học ứng dụng trong vật lý thực nghiệm

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
- - - - -
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ HỌC ỨNG DỤNG TRONG VẬT LÝ THỰC NGHIỆM
CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN K21
GVHD TS. Đặng Xuân Vinh HVTH: Phạm Tùng Lâm
Huế, 03- 2014
i
MỤC LỤC
Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1 Những nguyên lý cơ bản và các đặc trưng đo lường 4
1.1 Các định nghĩa và đặc trưng chung . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Phân loại cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Cảm biến tích cực . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Cảm biến thụ động . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Các đại lượng ảnh hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Mạch đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 Sai số của phép đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.1 Định nghĩa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.2 Phân loại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6 Chuẩn cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6.1 Chuẩn đơn giản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6.2 Chuẩn nhiều lần . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.7 Độ nhạy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.1 Định nghĩa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.2 Độ nhạy trong chế độ tĩnh . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.3 Độ nhạy trong chế độ động . . . . . . . . . . . . 17
1.8 Độ tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1

1.8.1 Điều kiện có tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.8.2 Đường thẳng tốt nhất - độ lệch tuyến tính . . . . 18
1.9 Độ nhanh - thời gian hồi đáp . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.10 Giới hạn sử dụng cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.11 Các yêu cầu của cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Cảm biến biến dạng 22
2.1 Các định nghĩa và nguyên lý chung . . . . . . . . . . . . 22
2.1.1 Định nghĩa một số đại lượng cơ học . . . . . . . . 22
2.1.2 Nguyên lý chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Đầu đo điện tở kim loại . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Vật liệu và phương pháp chế tạo . . . . . . . . . . 26
2.2.2 Các đặc trưng chủ yếu . . . . . . . . . . . . . . . 27
KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2
MỞ ĐẦU
"Cảm biến" trong tiếng anh là "sensor" xuất phát từ chữ sense theo
nghĩa La tinh là cảm nhận. Người xưa đã nhờ đã nhờ vào các giác quan
và bộ não của mình để tìm hiểu thế giới tự nhiên và học cách sử dụng
hiểu biết này nhằm mục đích khai thác thế giới xung quanh phục vụ
đời sống của họ. Trong thời đại phát triển của khoa học kỹ thuật ngày
nay, việc nhận biết các vật thể, hiện tượng trong thế giới bao quanh
được tăng cường nhờ phát triển các dụng cụ đo lường và phân tích mà
ta gọi là cảm biến. Cảm biến được định nghĩa như một dụng cụ dùng
để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo
thành các đại lượng điện có thể đo được (như dòng điện, điện thế, điện
dung, trở kháng ). Nó là thành phần quan trọng nhất trong một thiết
bị đo hay trong một hệ thống điều khiển tự động. Nguyên lý hoạt động
của một cảm biến, trong nhiều trường hợp thực tế, cũng chính là
nguyên lý của phép đo hay của phương tiện điều khiển tự động.

Ứng dụng của cảm biến biến dạng không chỉ giới hạn ở việc đo ứng
lực cơ học. Trên thực tế, tất cả các đại lượng vật lý, đặc biệt là các đại
lượng cơ học, đều có thể đo được bằng đầu đo biến dạng nếu tác động
của chúng lên một vật trung gian làm cho vật này bị biến dạng. Thí
dụ, các đại lượng như áp suất, lực, gia tốc đều có thể đo được bằng
đầu đo biến dạng. Trong công nghiệp, các đại lượng cảm biến thường
dùng như loại cảm biến có đầu đo điện trở kim loại, đầu đo điện trở
bán dẫn-áp điện trở, ứng suất kế dây rung và các đầu đo dùng trong
chế độ động. Trong giới hạn tiểu luận này, tôi chỉ xét tới cảm biến
đầu đo điện trở kim loại.
3
Chương 1
Những nguyên lý cơ bản và các đặc
trưng đo lường
1.1 Các định nghĩa và đặc trưng chung
Các đại lượng vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất,
được gọi là đại lượng cần đo, kí hiệu là m. Sau khi tiến hành các công
đoạn thực nghiệm để đo m (dùng các phương tiện điện để xử lý tín
hiệu) ta nhận được đại lượng điện tương ứng ở đầu ra. Đại lượng điện
này cùng với sự biến đổi của nó chứa đựng tất cả các thông tin cần
thiết để nhận biết m. Việc đo đạc m thực hiện được là nhờ sử dụng các
cảm biến.
Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m
không có tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện
(như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) ký hiệu là s. Đặc
trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo m:
s = F (m) (1.1)
trong đó s là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến và m là đại
lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Việc
4

đo đạc s cho phép nhận biết giá trị của m.
Để dễ sử dụng, thông thường người ta chế tạo cảm biến sao cho có
sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra s và biến thiên đầu vào
m:
s = S.  m (1.2)
trong đó S là độ nhạy của cảm biến.
Một trong những vấn đề quan trọng khi thiết kế và sử dụng cảm
biến là làm cho độ nhạy S của chúng không đổi, nghĩa là S ít phụ
thuộc nhất vào các yếu tố sau:
∗ Giá trị của đại lượng cần đo m (độ tuyến tính) và tần số thay
đổi của nó (dải thông),
∗ Thời gian sử dụng (độ già hóa),
∗ Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại
lượng đo) của môi trường xung quanh.
1.2 Phân loại cảm biến
Dựa trên nguyên tắc hoạt động, cảm biến được phân thành 2 loại:
Cảm biến tích cực và cảm biến thụ động.
1.2.1 Cảm biến tích cực
Chúng hoạt động như một máy phát (trong đó s là điện tích, điện
áp hay dòng), về mặt nguyên lý cảm biến tích cực thường dựa trên
hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc
bức xạ) thành năng lượng điện. Một số hiệu ứng thường gặp:
5
∗ Hiệu ứng nhiệt điện: Giữa các đầu ra của hai dây dẫn có bản
chất hóa học khác nhau được hàn lại với nhau thành một mạch điện có
nhiệt độ ở hai mối hàn là T
1
và T
2
sẽ xuất hiện một suất điện động

e(T
1
, T
2
). Hiệu ứng này được ứng dụng để đo nhiệt độ T
1
khi biết trước
nhiệt độ T
2
.
Hình 1.1: Ứng dụng của hiệu ứng nhiệt điện
∗ Hiệu ứng hỏa điện: Một số tinh thể (gọi là tinh thể hỏa điện ví
dụ như tinh thể sulfate triglycine) có tính phân cực điện tự phát phụ
thuộc vào nhiệt độ. Trên các mặt đối diện của chúng tồn tại những
điện tích trái dấu có độ lớn tỷ lệ thuận với độ phân cực điện. Hiệu ứng
hỏa điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng.
Hình 1.2: Ứng dụng của hiệu ứng hỏa điện
∗ Hiệu ứng áp điện: Khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm
bằng vật liệu áp điện, thí dụ thạch anh, sẽ gây nên biến dạng của vật
6
đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu trên các
mặt đối diện của vật. Hiệu ứng này được ứng dụng để xác định lực
hoặc các đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (áp suất,
gia tốc, .) thông qua việc đo điện áp trên hai bản cực của tụ điện.
Hình 1.3: Ứng dụng của hiệu ứng áp điện
∗ Hiệu ứng cảm ứng điện từ: Trong một dây dẫn hay khung dây
chuyển động trong từ trường không đổi sẽ xuất hiện một suất điện
động tỷ lệ với từ thông gởi qua dây trong một đơn vị thời gian.Hiệu
ứng này được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông
qua việc đo suất điện động cảm ứng.

Hình 1.4: Ứng dụng của hiệu ứng cảm ứng điện từ
∗ Hiệu ứng quang điện: Khi chiếu vào vật liệu một bức xạ ánh
sáng có bước sóng nhỏ hơn giá trị ngưỡng của vật liệu thì giải phóng
các hạt dẫn tự do. Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo các cảm
biến quang (thí dụ các công tắc tự động đóng ngắt đèn chiếu sáng công
7
cộng).
∗ Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: là hiện tượng các điện tử
được giải phóng thoát ra khỏi vật liệu tạo thành dòng được thu lại dưới
tác dụng của điện trường.
∗ Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn: Khi một chuyển
tiếp P - N được chiếu sáng sẽ phát sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống,
chúng chuyển động dưới tác dụng của điện trường của chuyển tiếp làm
thay đổi hiệu điện thế giữa hai đầu chuyển tiếp.
∗ Hiệu ứng quang-điện-từ: Khi tác dụng một từ trường B vuông
góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ
xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và
với hướng bức xạ ánh sáng. Hiệu ứng này cho phép nhận được dòng
hoặc thế phụ thuộc vào độ chiếu sáng.
Hình 1.5: Ứng dụng của hiệu ứng quang điện từ
∗ Hiệu ứng Hall: Trong một vật liệu (thường là bán dẫn) dạng
tấm mỏng có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường B có phương tạo
thành góc θ với dòng điện I sẽ xuất hiện một hiệu điện thế V
H
theo
hướng vuông góc với B và I. Biểu thức của hiệu điện thế V
H
có dạng:
V
H

= K
H
.I.B.sinθ (1.3)
trong đó K
H
là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học
8
của mẫu.
Hiệu ứng Hall được ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển
động. Vật này được ghép nối cơ học với một thanh nam châm. Ở mọi
thời điểm, vị trí của thanh nam châm xác định giá trị của từ trường B
và góc θ tương ứng với tấm bán dẫn mỏng dùng làm vật trung gian. Vì
vậy, hiệu điện thế V
H
đo được giữa hai cạnh của tấm bán dẫn trong
trường hợp này (một cách gián tiếp) là hàm phụ thuộc vào vị trí của
vật trong không gian.
Hình 1.6: Ứng dụng của hiệu ứng Hall
1.2.2 Cảm biến thụ động
Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một
trong các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Một mặt giá trị
của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu, mặt khác
nó cũng phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu như điện trở suất ρ,
từ thẩm µ, hằng số điện môi ε. Vì vậy, giá trị của trở kháng thay đổi
dưới tác dụng của đại lượng đo ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước
hình học, tính chất điện hoặc ảnh hưởng đồng thời đến kích thước hình
học và tính chất điện của vật liệu.
Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có thể thay đổi
nếu cảm biến có phần từ chuyển động hoặc phần tử biến dạng. Trong
9

trường hợp thứ nhất, cảm biến có chứa phần tử động, mỗi vị trí của
phần tử chuyển động tương ứng với một giá trị của trở kháng cho nên
đo trở kháng sẽ xác định được vị trí của đối tượng. Đây là nguyên lý
của nhiều loại cảm biến vị trí hoặc dịch chuyển (cảm biến điện thế,
cảm biến cảm ứng có lõi động, tụ điện dùng bản cực di động, ). Trong
trường hợp thứ hai, cảm biến có phần tử biến dạng. Sự biến dạng được
gây nên bởi lực hoặc các đại lượng dẫn đến lực (áp suất, gia tốc) tác
dụng trực tiếp hoặc gián tiếp lên cảm biến. Sự thay đổi của trở kháng
(do biến dạng) liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, nghĩa là tác
động của đại lượng cần đo được biến đổi thành tín hiệu điện (hiệu ứng
áp trở).
Phụ thuộc vào bản chất của các vật liệu khác nhau, tính chất điện
của chúng có thể nhạy với nhiều đại lượng vật lý như nhiệt độ, độ
chiếu sáng, áp suất, độ ẩm, Nếu chỉ có một trong số các đại lượng
nêu trên có thể thay đổi và tất cả các đại lượng khác được giữ không
đổi, chúng ta sẽ thiết lập được sự tương ứng đơn trị giữa giá trị của đại
lượng này và trở kháng của cảm biến.
Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi của trở kháng dưới
tác dụng của đại lượng cần đo chỉ có thể xác định được khi cảm biến là
một thành phần trong một mạch điện. Trên thực tế, tùy từng trường
hợp cụ thể mà người ta chọn mạch đo cho thích hợp với cảm biến.
1.3 Các đại lượng ảnh hưởng
Trong khi dùng cảm biến để các định một đại lượng cần đo, không
phải chỉ có một đại lượng này tác động đến cảm biến. Trên thực tế,
ngoài đại lượng cần đo còn có nhiều đại lượng vật lý khác có thể gây
10
tác động ảnh hưởng đến tín hiệu đo. Những đại lượng này gọi là đại
lượng ảnh hưởng hoặc đại lượng gây nhiễu. Thí dụ, nhiệt độ là đại
lượng ảnh hưởng của cảm biến quang (quang trở), từ trường là đại
lượng ảnh hưởng của cảm biến nhiệt (điện trở của Ge).

Sau đây là các đại lượng ảnh hưởng thường gặp và tác động của
chúng:
- Nhiệt độ làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thước của
cảm biến,
- Áp suất, gia tốc, dao động (rung) có thể gây nên biến dạng và
ứng suất trong một số phần tử cấu thành của cảm biến làm sai lệch tín
hiệu hồi đáp,
- Độ ẩm có thể làm thay đổi tính chất điện của vật liệu như hằng
số điện môi ε, điện trở suất ρ,
- Từ trường có thể gây nên suất điện động cảm ứng chồng lên tín
hiệu có ích, ngoài ra nó còn làm thay đổi tính chất điện của vật liệu
cấu thành cảm biến,
- Biên độ và tần số của điện áp nuôi, thí dụ trường hợp biến thế vi
sai ảnh hưởng đến đại lượng điện ở đầu ra.
Nếu gọi các đại lượng ảnh hưởng là g
1
, g
2
, thì mối quan hệ
s = F (m) giữa đại lượng điện ở đầu ra s và đại lượng đo m ở đầu vào
được viết lại như sau:
s = F (m, g
1
, g
2
) (1.4)
Để rút ra giá trị cần đo m từ các giá trị đo được của s cần phải áp
dụng một trong các biện pháp sau:
- Giảm ảnh hưởng của các đại lượng g
1

, g
2
, đến mức thấp nhất.
11
- Ổn định các đại lượng ảnh hưởng ở những giá trị biết trước và
chuẩn cảm biến trong những điều kiện đó.
- Sử dụng các sơ đồ ghép nối cho phép bù trừ ảnh hưởng của đại
lượng gây nhiễu.
1.4 Mạch đo
Hình 1.7: Mạch đo điện thế bề mặt
Mạch đo bao gồm toàn bộ các thiết bị đo (kể cả cảm biến) cho phép
xác định chính xác đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có
thể.
Ở đầu vào của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lượng cần đo,
gây nên tín hiệu điện mang theo thông tin về đại lượng cần đo.
Ở đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã qua xử lý được chuyển đổi sang
dạng có thể đọc được trực tiếp giá trị cần tìm của đại lượng đo. Việc
chuẩn hệ đo đảm bảo cho mỗi giá trị chỉ thị ở đầu ra tương ứng với
một giá trị của đại lượng đo tác động ở đầu vào của mạch. Trên hình
(1.6) biểu diễn một mạch điện đo điện thế trên bề mặt màng nhạy
quang được lắp ráp từ nhiều phần tử.
12
1.5 Sai số của phép đo
1.5.1 Định nghĩa
Hiệu số giữa giá trị thực và giá trị đo được là sai số của phép đo. Sai
số của phép đo chỉ có thể được đánh giá một cách ước tính vì không
thể biết giá trị thực của đại lượng đo.
1.5.2 Phân loại
1.5.2.1 Sai số hệ thống
Sai số hệ thống có nguyên nhân do sự hiểu biết sai lệch hoặc không

đầy đủ về hệ đo hay do điều kiện sử dụng không tốt, ví dụ
- Sai số do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng,
- Sai số do đặct ính của cảm biến,
- Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng,
- Sai số do xử lý kết quả đo.
1.5.2.2 Sai số ngẫu nhiên
Sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà sự xuất hiện cũng như
dấu và biên độ của chúng mang tính không xác định. Một số nguyên
nhân của sai số ngẫu nhiên có thể dự đoán được nhưng độ lớn của
chúng thì không thể biết trước.
Một số nguyên nhân có thể dẫn đến sai số ngẫu nhiên:
- Sai số do tính không xác định của đặc trưng thiết bị,
- Sai số do tính hiệu nhiễu ngẫu nhiên,
13
- Sai số do các đại lượng ảnh hưởng.
Biện pháp giảm sai số ngẫu nhiên: bảo vệ mạch đo bằng cách ổn
định nhiệt độ và độ ẩm của môi trường đó, sử dụng các giá đỡ chống
rung, sử dụng các bộ tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, áp dụng
chế độ vận hành đúng đắn,
1.5.2.3 Tính trung thực, tính đúng đắn và độ chính xác
Tính trung thực là chất lượng của thiết bị đo có sai số ngẫu nhiên
nhỏ thể hiện ở chỗ kết quả của các lần đo tập trung xung quang giá trị
trung bình m.
Tính đúng đắn là chất lượng của thiết bị đo có sai số hệ thống nhỏ:
giá trị xác suất thường gặp của đại lượng đo gần với giá trị thực.
Độ chính xác là đặc trưng của thiết bị cho các kết quả đo đơn lẻ gần
với giá trị thực của đại lượng đo. Thiết bị chính xác đồng thời cũng là
thiết bị có độ trung thực và đúng đắn.
Sai số ở giá trị định mức do yếu tố của bên ngoài gọi là sai số cơ
bản. Nếu yếu tố của bên ngoài vượt ra khỏi giới hạn định mức thì xuất

hiện sai số phụ. Để giảm sai số phụ phải giảm độ nhạy của cảm biến
với yếu tố ngoài hoặc hạn chế ảnh hưởng của chúng bằng màn chắn
hay môi trường khác.
1.6 Chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến có mục đích diễn giải tường minh, dưới dạng đồ thị
hoặc đại số, mối quan hệ giữa giá trị m của đại lượng đo và giá trị s đo
được của đại lượng điện ở đầu ra có tính đến các thông số ảnh hưởng.
14
1.6.1 Chuẩn đơn giản
Chuẩn đơn giản là phép đo trong đó chỉ có một đại lượng vật lý duy
nhất tác động lên một đại lượng đo xác định và sử dụng một cảm biến
không nhạy với các đại lượng ảnh hưởng và cũng không chịu tác động
của các đại lượng này. Trong điều kiện này, chuẩn cảm biến chính là
kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của của đại lượng đo với các giá
trị tương ứng của đại lượng điện ở đầu ra. Việc chuẩn được tiến hành
bằng hoặc chuẩn trực tiếp hoặc chuẩn gián tiếp.
1.6.2 Chuẩn nhiều lần
Khi cảm biến có chứa những phần tử có độ trễ (trễ cơ hoặc trễ từ),
giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời
của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó
của đại lượng này. Trong những trường hợp đó cần phải áp dụng
phương pháp chuẩn nhiều lần và được tiến hành như sau:
- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra
có các giá trị tương đương với điểm gốc, m = 0 và s = 0.
- Dựng lại đại lượng đầu ra bằng cách lúc đầu tăng giá trị của đại
lượng cần đo ở đầu vào đến cực đại, sau đó giảm giá trị đo. Các giá trị
biết trước của đại lượng cần đo cho phép xác định đường cong chuẩn
theo cả hai hướng đo tăng dần và giảm dần.
Cần lưu ý các tính chất vật lý của vật liệu chịu tác động của đại
lượng cần đo có thể là một trong những thông số quyết định ảnh hưởng

đến hồi đáp của cảm biến.
15
1.7 Độ nhạy
1.7.1 Định nghĩa
Độ nhạy S xung quanh một giá trị không đổi m
i
của đại lượng đo
được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên s của đại lượng ở đầu ra và
biến thiên m tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào.
S =

s
m

m=m
i
(1.5)
Đơn vị đo của độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm
biến và các đại lượng liên quan, ví dụ
+
Ω
0
C
đối với nhiệt điện trở
+
µV
0
C
đối với cặp nhiệt.
Đối với các cảm biến khác nhau dùng dựa trên một nguyên lý vật

lý, trị số của độ nhạy S có thể phụ thuộc vào vật liệu, kích thước hay
kiểu lắp ráp. Ngoài ra, độ nhạy có thể là hàm của các thông số bổ sung
nếu như các thông số này ảnh hưởng đến hồi đáp của cảm biến.
1.7.2 Độ nhạy trong chế độ tĩnh
Chuẩn cảm biến ở chế độ tĩnh là dựng lại các giá trị s
i
của đại lượng
điện ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo
khi đại lượng này đạt chế độ làm việc danh định. Đặc trưng tĩnh của
cảm biến chính là dạng chuyển đổi đồ thị của việc chuẩn đó và điểm
làm việc Qi của cảm biến chính là đặc trưng tĩnh tương ứng với các giá
trị m
i
, s
i
.
Độ nhạy trong chế độ tĩnh ở điểm làm việc Q
i
bằng tỷ số giữa số gia
s và m tương ứng. Như vậy, độ nhạy trong chế độ tĩnh chính là độ
16
dốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc. Nếu đặc trưng tĩnh không phải
là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc vào điểm làm
việc.
Tỷ số giữa giá trị s
i
ở đầu ra và giá trị m
i
tương ứng của đại lượng
đo ở đầu vào gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh r

i
r
i
=

S
m


i
(1.6)
Tỷ số chuyển đổi tĩnh không phụ thuộc vào điểm làm việc Q
i
và chỉ
bằng S trong trường hợp đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc tọa
độ.
1.7.3 Độ nhạy trong chế độ động
Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo là hàm
tuần hoàn của thời gian. Trong điều kiện như vậy, đại lượng đầu ra s ở
chế độ làm việc danh định cũng là hàm tuần hoàn của thời gian giống
như đại lượng đo.
Trong chế độ động sự phụ thuộc của độ nhạy vào tần số của đại
lượng đo S(f) xác định đặc tính tần số của cảm biến.
Sự biến thiên của độ nhạy là hàm của tần số, nói chung, có nguồn
gốc là do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo, tức là của cảm biến
và các thiết bị phụ trợ vì chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu
điện theo kịp với biến thiên của đại lượng đo. Sự không tức thời này
càng lớn khi tần số càng cao.
17
1.8 Độ tuyến tính

1.8.1 Điều kiện có tuyến tính
Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu
trong dải đó, độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo.
Nếu cảm biến không phải là tuyến tính, người ta có thể đưa vào mạch
đo các thiết bị hiệu chỉnh, gọi là tuyến tính hóa, có tác dụng làm cho
tín hiệu điện tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo.
1.8.2 Đường thẳng tốt nhất - độ lệch tuyến tính
Khi chuẩn cảm biến người làm thực nghiệm nhận được một loạt các
điểm tương ứng của s
i
. m
i
thường không nằm trên một đường thẳng.
Đó là vì có sự không chính xác trong khi đó và những sai lệch trong khi
chế tạo cảm biến. Tuy nhiên, từ các điểm thực nghiệm có thể tính được
phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến.
Đường thẳng này gọi là đường thẳng tốt nhất. Biểu thức của đường
thẳng tốt nhất được tính bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất:
s = a.m + b (1.7)
trong đó
a =
N.Σs
i
.m
i
− Σs
i
.Σm
i
NΣm

2
i
− (Σm
i
)
2
,
b =
Σs
i
Σm
2
i
− Σs
i
.m
i
Σm
i
NΣm
2
i
− (Σm
i
)
2
,
với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến.
Độ lệch tuyến tính là khái niệm cho phép đánh giá độ tuyến tính
của đường cong chuẩn. Nó được xác định từ độ lệch cực đại giữa đường

18
cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất (tính bằng %) trong dải đo.
1.9 Độ nhanh - thời gian hồi đáp
Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại
lượng đầu ra có theo kịp về thời gian với biến thiên của đại lượng đo
không. Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị
số của độ nhanh.
Độ nhanh t
r
là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột
ngột đến khi biến thiên của đại lượng ra s của cảm biến chỉ còn khác
giá trị cuối cùng một lượng giới hạn quy định ε%.
Cảm biến càng nhanh thì thời gian hồi đáp của nó càng nhỏ. Thời
gian hồi đáp đặc trưng cho tốc độ tiến triển của chế độ quá độ (chế độ
sau thời điểm xảy ra biến thiên đại lượng đo) và là hàm của các thông
số xác định chế độ này.
Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần
thiết phải chờ đợi sau khi có biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị s
ở đầu ra với độ chính xác quy định trước. Ngoài ra, người ta cũng xác
định những khoảng thời gian khác nữa để đặc trưng cho chế độ quá độ
(hình (1.7)).
1.10 Giới hạn sử dụng cảm biến
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc
nhiệt tác động lên chúng. Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho
phép, chúng sẽ làm thay đổi các đặc trưng làm việc của cảm biến. Vì
19
Hình 1.8: Xác định các khoảng thời gian khác nhau đặc trưng cho chế độ quá độ
vậy người sử dụng phải biết các giới hạn ngưỡng của cảm biến và tuân
thủ chúng trong khi sử dụng cảm biến.
- Vùng làm việc danh định: Vùng này tương ứng với những điều

kiện sử dụng bình thường của cảm biến. Biên giới của vùng là các giá
trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến
đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới
mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.
- Vùng không gây nên hư hỏng: Khi các giá trị của đại lượng đo
hoặc các đại lượng liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt quá
ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn trong phạm vi của
vùng không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có nguy cơ
bị thay đổi nhưng những thay đổi này có tính chất thuận nghịch, tức là
khi trở về vùng danh định thì các đặc trưng của cảm biến cũng sẽ tìm
lại được giá trị ban đầu của chúng.
20
- Vùng không phá hủy: Khi các giá trị của đại lượng đo hoặc các
đại lượng liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt quá ngưỡng của
vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn trong phạm vi của vùng
không phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và sự thay đổi
này không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng danh định thì các đặc
trưng của cảm biến cũng sẽ không tìm lại được giá trị ban đầu của
chúng. Trong trường hợp này, nếu muốn tiếp tục sử dụng cảm biến cần
phải tiến hành chuẩn lại.
1.11 Các yêu cầu của cảm biến
Muốn có độ nhạy cao, sai số nhỏ, cảm biến cần có các tính chất sau:
+ Có dải thay đổi đại lượng vào cần thiết,
+ Thích ứng và thuận tiện với sơ đồ đo lường, kiểm tra,
+ Ảnh hưởng ít nhất đến đại lượng đầu vào,
+ Có quán tính nhỏ.
21
Chương 2
Cảm biến biến dạng
2.1 Các định nghĩa và nguyên lý chung

2.1.1 Định nghĩa một số đại lượng cơ học
Biến dạng ε: là tỷ số giữa độ biến thiên kích thước ∆ và kích thước
ban đầu :
ε =
∆

(2.1)
Biến dạng đàn hồi: là biến dạng mà bản thân có sẽ mất đi đồng
thời cùng với ứng lực của nó. Ứng lực σ được đo bằng lực tác dụng
trên một đơn vị diện tích của tiết diện chịu lực (F/s).
Giới hạn đàn hồi: là ứng lực tối đa không gây nên biến dạng cố
định có giá trị lớn hơn 0, 2%. Độ lớn của giới hạn đàn hồi được đo bằng
kg. lực/mm
2
. Thí dụ, giới hạn đàn hồi của một số vật liệu như sau:
- thép: từ 20 đến 80;
- đồng: từ 3 đến 12;
- chì: từ 0, 4 đến 1.
Định luật Hooke nói về mối quan hệ giữa ứng lực và biến dạng được
22
phát biểu như sau: trong vùng giới hạn đàn hồi, ứng lực tỷ lệ với biến
dạng do nó gây nên.
Modun Yuong Y : xác định biến dạng theo một phương của ứng lực
ε
//
=
1
Y
F
S

=
1
Y
σ (2.2)
Đơn vị đo modun Yuong là kg. lực/mm
2
. Modun Yuong của một vật
liệu thường có một khoảng giá trị:
- thép: từ 18000 đến 29000;
- đồng: từ 9900 đến 1400;
- chì: từ 500 đến 1400.
Hệ số Poisson ν: xác định biến dạng theo phương vuông góc với
ứng lực:
ε
⊥
= −νε
//
(2.3)
Trong vùng đàn hồi: ν ≈ 0, 3.
2.1.2 Nguyên lý chung
Trong quá trình đo, các đầu đo biến dạng loại điện trở thường được
dán trực tiếp lên bề mặt của cấu trúc cần khảo sát. Vì vậy, sự biến
dạng của cấu trúc ở chỗ dán cảm biến làm cho cảm biến cũng bị biến
dạng theo và dẫn đến sự thay đổi điện trở của nó.
Phạm vi biến dạng có thể đo được với độ chính xác ∼ 0, 1% là
khoảng từ ±10
−5
đến ±2.10
−1
. Giới hạn dưới bị hạn chế bởi nhiễu của

cảm biến và của chất kết tinh dùng để gắn đầu đo với vật biến dạng.
Trong trường hợp tổng quát, đầu đo là một lưới làm bằng dây dẫn
có điện trở suất ρ, tiết diện s và chiều dài n ( là chiều dài một đoạn
23
dây, n là số đoạn dây). Thường thì n = 10 ÷ 20 đối với đầu đo kim loại
và n = 1 đối với đầu đo bán dẫn (hình (2.1)a,b)
Hình 2.1: Đầu đo điện trở: a) đầu đo dùng dây kim loại; b) đầu đo bán dẫn; c) cách
cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát
Cảm biến được cố định trên đế cách điện (làm bằng giấy hoặc chất
dẻo), còn đế thì được gán vào cấu trúc nghiên cứu (hình (2.1)c). Kết
quả là cảm biến cũng chịu một biến dạng như biến dạng của cấu trúc.
Điện trở của cảm biến được biểu diễn bởi biểu thức R = ρ/S. Do
chịu ảnh hưởng của biến dạng nên điện trở của cảm biến thay đổi đi
một lượng ∆R, nghĩa là:
∆R
R
=
∆

−
∆S
S
+
∆ρ
ρ
(2.4)
Biến dạng dọc theo của dây kéo theo sự thay đổi kích thước theo
chiều ngang a, b (nếu mặt cắt của dây hình chữ nhật) hoặc d (nếu dây
có tiết diện tròn). Với một hệ số tỷ lệ ν, quan hệ giữa biến dạng ngang
và biến dạng dọc tuan theo định luật:

∆a
a
=
∆b
b
=
∆d
d
= −ν
∆

(2.5)
trong đó ν là hệ số Poisson. Trong vùng biến dạng đàn hồi ν ≈ 0, 3. Vì
24